综合智慧能源系统及其工程应用

引言

目前，全球范围内能源消耗剧增，导致环境污染加剧。如何减少传统能源浪费、提高清洁能源消纳，已成为世界各国政府关注的问题之一。“节能减排”“新能源”“绿色环保”“智慧监控”等新理念，已逐渐深入国民经济和社会生活[1]。传统能源系统运行常常局限于电、气、热、冷等单一能源形式，能源利用效率、可再生能源消纳、节能减排等问题遭遇瓶颈。近几年，随着新一轮电力体制改革和互联网信息技术、清洁能源的不断发展，综合能源系统逐步从理念变成现实，也逐步取代传统能源系统成为了推动电力行业发展的新动力。本文从国内外两个方面对综合能源系统发展状况进行归纳总结，提出区域综合智慧能源系统典型架构及其关键技术，并将其应用于示范项目之中，最后对项目的预期效果进行分析并展望其未来发展。

国内外综合能源系统发展状况

国外综合能源系统发展状况

传统能源系统产生于20世纪70年代中期，主要是为了对已有建筑进行节能改造，合同能源管理是主要的商业模式。随着人类科技的发展，在20世纪70年代末期，分布式能源系统在美国诞生，主要是推广热电联供、光伏、热泵等可再生能源的利用[2]。随着互联网、大数据、云计算等技术的出现，融合清洁能源与可再生能源的区域微网技术的新型综合能源服务模式诞生。综合能源系统对提升能源利用效率和实现可再生能源规模化开发具有重要的支撑作用，世界各国根据自身需求制定了适合自身发展的综合能源发展战略。

（1） 欧洲

早在欧盟第五框架（FP5）中，虽然综合能源系统概念尚未明确定义，但是有关能源协同优化的研究得到极大重视。在欧盟第六框架和欧盟第七框架中，能源协同优化和综合能源系统的相关研究得到进一步深化。

（2） 美国

在技术方面，美国非常注重与综合能源相关理论技术的研发。21世纪初，美国能源部即提出了综合能源系统（Integrated Energy System，IES）发展计划，旨在提高可再生能源的供应与使用比重，进一步提高社会供能系统的可靠性和经济性，而其重点是促进对分布式能源（DER）和冷热电联供（CCHP）技术的进步和推广应用。在需求侧管理技术方面，美国包括加州、纽约州等在内的许多地区在新一轮电力改革中，明确把需求侧管理和提高电力系统灵活性作为重要方向。

（3） 日本

2009年9月，日本政府公布了未来40年温室气体减排的目标，并提出建设全国综合能源系统、实现能源结构优化和能效提升、推动清洁能源开发，是实现减排目标的必经之路。

国内综合能源系统发展状况

相对国外而言，我国综合能源系统的研究起步较晚。2001年，我国开展了针对智能体系方面的专题研究，以智能电网、配电网为载体，聚焦国内智能能源体系结构、模型、技术标准、通行协议、实施计划等方面。

目前，国内综合能源系统仍处于发展的初步阶段。当前国内运行的综合能源系统项目基本以电为主，只是配合少量的清洁能源，仅仅起示范作用。为了推动能源领域的创新与协调，促进综合能源系统体系的建设，我国于2010年成立了国家能源委员会，加快能源改革，寻求创新发展模式。目前。我国制定并通过了“973”“863”研究计划，多项有关综合能源技术研发项目已经开始实施。除此之外，我国还积极与国外相关机构展开合作，积极推广综合能源利用技术，以建设清洁、安全、可持续的综合能源供应系统[3]。

综合智慧能源系统特点

在综合能源系统发展的基础上，应用大数据、云计算、物联网等技术，为更好实现区域内用户提供冷、热、电、气、水等能源一体化，促进清洁能源就地消纳和平衡，本文引入“综合智慧能源系统”，通过协同互动、智能低碳方式，充分提高能源综合利用效率，其构成特点涵盖以下三个方面。

多能互补

图1 综合智慧能源系统架构图

多能耦合、协同互补是综合智慧能源系统的重要特征之一。风能、太阳能等可再生能源在时间和空间上具有互补性，多能互补面向终端用户冷、热、电等多种用能需求，因地制宜、互补利用传统能源和清洁能源，优化布局建设一体化集成供能基础设施，构建智能微能源网，通过智慧化管理控制，有利于实现多能协同供应和能源综合梯级利用。

物理与信息深度融合

综合智慧能源系统覆盖能源生产、传输、消费、存储、转换的整个能源链，系统内信息共享，能量流与信息流有机整合、互联互动、紧密耦合，形成信息物理系统（cyber physical system,CPS）。信息物理系统是综合智慧能源系统的重要发展方向，互联网、物联网、大数据、云计算等的深度应用，可有效提升园区综合能源系统的灵活性、适应性及智能化。通过对等开放的信息物理系统架构，综合智慧能源系统将具备高可靠安全的通信能力、全面的态势感知能力、大数据处理计算能力以及分布式协同控制能力。

源网荷储协调互动

综合智慧能源系统能量流与信息流深度融合使传统能源由单纯的生产、传输、消费和存储为主体，转变为集能源生产、传输、消费和存储多种角色于一体的自我平衡的主体。传统用户成为产消者，能源生产和能源消费的边界将不再清晰，对应的角色和功能可以实现相互兼容和替代。综合能源服务商、供电公司、各类工业、商业和居民用户、电动汽车、分布式能源、储能、热电冷联产系统等各类参与主体在供需关系和价格机制的引导下，灵活调整能源供应、能源消费和能源存储，从而实现综合智慧能源柔性互动以及供需储的纵向一体化。

综合能源系统对提升能源利用效率和实现可再生能源规模化开发具有重要的支撑作用，世界各国根据自身需求制定了适合自身发展的综合能源发展战略。

综合智慧能源系统设计

架构设计

目前，低功耗传感器和通信技术的高速发展，为综合智慧能源系统的研究提供了新的解决思路。本文结合能源互联网、智能微电网及配电物联网的相关研究，提出典型的综合智慧能源系统架构（图1）。该系统以电力系统为核心，以风力发电技术、太阳能发电技术、天然气分布式供能技术、空气及储能电池等技术为主要的供能手段，建设和完善能源输配网和储能设施（包含电、热、冷储能），并配套建设智慧能源管理平台，构建一个完整的园区级能源互联网。综合智慧能源系统的物理构成包括供配电系统、冷热电三联供系统、光伏系统、风机系统、储能系统、充电系统、智慧管控系统等。

整个能源系统改变了以往供电、供气、供冷等各种能源供应单一规划、单一建设、单一运行的独立模式，利用现代信息通信技术、智能技术提高系统管理效率，在系统设计、建设、运行过程中，减少各类能源在分配、转化、存储、消纳等环节的资源浪费。分析综合智慧能源系统的组成部分可知，其主要包括下列内容：供能网、能源转换与存储环节、终端综合能源供应，其中供能网涉及供热、供电等网络；能源转换环节则包括暖通空调、发电机设备等。

关键技术

（1） 能源转化技术

在进行能源资源的高效利用时，能源转换技术也为一项非常重要的综合能源应用技术，此项技术应用侧重于对一次、二次能源的有效转换，从而使得能源利用价值得到大幅度的提升，其中常见的一次能源既涉及太阳能、风能及生物能等可再生的清洁能源，也包括石油、天然气等不可再生能源，二次能源则主要为电能。

当前在综合智慧能源系统中应用最为广泛的能源转换技术主要包括以下两种类型：一是太阳能发电技术。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电，其中光伏发电利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能，是当今太阳能发电的主流；二是风电转化技术。当前利用风能进行电力生产转换为世界各国学者研究的重点内容，实际转换时主张利用风力发电机来进行有效的资源转换利用，风力发电机使用时发挥关键作用的部分为主轴桨叶，可带动设备将风能大量的转换为电能。

（2） 冷热电三联供CCHP

作为传统热电联产CHP的扩展，冷热电三联供CCHP不仅可以满足发电需求，同时释放的热量将成为副产品被回收利用，作为空间加热、水加热以及空间冷却的热源。CCHP由燃气发动机、发电机、热交换器和吸收式冷却器组成。燃气发电机肩负产热和产电功能，而废热将被输送到吸收式冷却器中，并以此产生冷却能。该技术常常应用于建筑物的空调设备，而吸收式制冷机产生的电能与废热之比可以通过变化来满足特定的要求。

与独立的供热与电力系统相比，冷热电三联产系统不仅提高了能源效率，也降低了燃料和能源成本，因而更具有经济效益。若将CCHP与可再生能源结合，可进一步促进能源转型及二氧化碳减排，为缓解日益严重的温室效应作出贡献，其潜力不容忽视。

（3） 热泵技术

图2 延庆基地能源系统结构图

在新能源供热技术中，热泵是杰出的代表。其原理是利用制冷系统的热循环过程，将低温热源，如室外空气、循环水或地面热能，传递到高温物体中，用来加热水或采暖。为了将低温热源中的能量传递到高温热源，热泵需要来自外部的电能，流量温度越高，电能需求越大。因此，低温热源与加热能之间的温差应尽可能小。而热泵制冷管道中的特殊阀门可使制冷循环反向进行，热泵不仅可以加热也可以冷却空间。

常见的热泵种类有空气源热泵、水源热泵和地源热泵。空气源热泵可以将来自周围空气或废气的热量传递到需要加热的空间内。水源热泵从相对温暖的地下水或废水中提取热量，再将地下水引导回去。地源热泵则通过探头或表面收集器直接吸地热能。热泵不仅低碳环保，运行也相对安静，可以在较小的建筑面积上使用，因而被广泛地应用于现代化加热系统与家庭领域。从经济角度来看，由于不需要额外的燃料费用，相对于传统的加热和冷却系统更具优势。

（4） 储能技术

为了有效提升能源存储效果，需要借助多种储能技术，当前常用的储能技术包括储热、储气、储电、蓄冷四种。其中，适用于综合能源系统中的储电技术主要为储能电池，根据化学反应物质的不同可以分为钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池。随着科学技术的发展，锂离子电池已经成为了主流，其采用锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，具有使用寿命长、储存能量密度高、重量轻、适应力强等优点。目前，钠硫电池和钒液流电池尚未形成产业化。

储热技术目前主要有显热存储、变相存储、化学反应存储三种。其中化学反应存储是通过化学反应产生热量进行储热，具有储能密度高、可长期存储等优点。

目前,蓄冷技术主要分为水蓄冷和冰蓄冷两种，利用水、冰的蓄冷特性，储藏冷能并加以合理利用。

储能系统使得综合能源系统能够正常稳定并且高效地运行，是综合能源系统不可或缺的组成部分。

（5） 多能协同优化控制技术

综合智慧能源系统能够为用户提供分布式供能，通过智慧能源管控系统的多能协同优化调度策略，提高能源利用率，促进不同能源之间的互补和协调，实现系统整体效能发挥的最大化。在确保给用户提供稳定能源供给的同时，提高可再生能源在能源系统中的占比及利用率，减少对不可再生资源的依赖，有利于达到良好的节能减排效果。在实际应用中，如何实现不同能源特别是光伏、风电等间歇性电源的协调和优化是关键。在多能互补优化运行中，需要充分考虑间歇性能源出力的不确定性、可控分布式能源的功率调节约束性以及储能设备的时间转移特性，兼顾分布式能源与柔性负荷两类可控资源，并采用合理的控制模型实现主动配电网对可控分布式能源的主动管理和优化调度。

目前，多能协同优化调度策略的研究在国内尚处于初始阶段，采取何种策略有效地协调分布式电源、储能设备及可控负荷，是多能互补系统优化运行的关键问题。

示范项目应用

延庆国家电网公司新兴产业创新示范基地位于延庆区张山营镇下营村，用地性质为教育科研设计，主要能源需求类型为电、冷、热。项目拟参照本文提出的综合智慧能源系统框架，构建以交直流混合微电网为核心、多能互补的智慧能源系统，打造源网荷储优化协同的绿色能源互联网示范。

该项目能源系统的物理构成包括分布式光伏发电、分散式风力发电、电化学储能、交直流混合充电桩、空气源热泵、电蓄热锅炉等，按照“1+1+X”的框架构建智慧能源（能源互联网）系统，即1个智慧能源管控平台、1座集中供应的能源站、若干个分布式能源子系统，系统结构如图2所示。通过智慧能源管控平台，根据区域内多种能源供应状态对综合能效水平进行实时优化，对电网和其他能源网络进行动态协调，使多种能源相互转化支撑，实现整个系统源、网、荷、储的协同运行以及综合管理。

1个智慧能源管控平台

平台主要监测光伏发电、风力发电、储能、充电桩、热泵、电蓄热锅炉等系统的运行情况，对新能源发电、基地用电、供热、供冷等综合能源的动态实时监控与管理，通过对数据分析与挖掘，实现各种节能控制系统综合管控，是整个基地能源系统的智慧大脑。

1座能源站

站内布置交直流微电网核心设备、电化学储能预制舱、电蓄热锅炉，作为基地能源供应的核心和枢纽。

交直流微电网核心设备主要包括一台多端口能量路由器、一台直流储能变流器和一套直流充电堆系统。

电化学储能采用磷酸铁锂电池，在整个能源系统中起到削峰填谷、提高光伏消纳率、改善电能质量、后备电源的作用。

电蓄热锅炉采用夜间低谷时段的电能作为能源，夜间蓄热白天供暖，作为热泵供暖系统的补充，同时也可以起到削峰填谷的作用。

X个能源子系统

（1） 分布式光伏发电

分布于基地规划建筑屋顶、玻璃幕墙、光电一体化充电站车棚棚顶、蔬菜大棚棚顶及智慧路灯。光伏组件采用单晶、多晶、BIPV等多种组件形式。

（2） 分散式风电

该项目采用垂直轴风力发电机，一部分布置于基地空旷闲置区域；另一部分布置于风光一体化智慧路灯顶部，与光伏板共同实现路灯的绿色照明。

（3） 分布式空气源热泵

中央厨房及办公用房均采用空气源热泵与太阳能集热器组合形式。热泵采用先进的一机双用技术，一边为冷库供冷；一边为办公室供暖。

（4） 交直流混合充电桩

在基地设置若干直流快充和交流慢充充电桩，具备智能控制与结算等功能，为员工私家车、游览车、物流车等提供灵活智能的充电服务。

总结与展望

本文首先介绍了国内外综合能源系统的发展现状，提出综合智慧能源系统体系典型架构及其关键技术，并将其应用于延庆项目之中。

该项目采用多种可再生能源与传统电力能源相融合，采用智慧能源管控系统进行多能协同优化控制，构建了以电为中心、以智能微电网为核心的智慧能源系统，可以有效降低能源损耗，提升节能减排效果，打造绿色后勤基地。该项目建设思路可为其他类似后勤基地的建设提供参考和借鉴，具有一定的示范意义。

随着能源互联网的发展以及智能技术的创新，未来综合智慧能源系统将会更加高效和智能化。利用信息通信技术准确预测用户用能变化并对其进行实时优化匹配，有利于在能源利用方面取得新的突破。